基于单片机的USB主控器驱动设计

1 引言 

在现代社会，嵌入式系统逐渐深入到人们生活的方方面面，各类嵌入式系统产品之间往往通过某种接口进行交互或数据传递。而现在，USB已经成为嵌入式数据交换的最主要的方式，可是各种USB接口的设备都是基于PC机系统的，所以，基于嵌入式系统的USB接口的研究具有实用的价值和意义，特别是起Master作用的HOST端接口的研究。 

解决这一问题的根本办法就是在需要使用USB设备的嵌入式系统中扩展USB Host功能模块，使之具有与USB设备进行数据传输的能力。 

USB协议按功能分为2部分，USB HOST（USB主协议）和USB SLAVE（USB从协议）分别应用于USB HOST CONTROLLER（USB主控制器）和USB DEVICE（USB设备）。一般，USB HOST要比USB SLAVE复杂，对于广大的非PC用户来说，尤其是嵌入式系统用户来说，由于USB协议的不对称性，使得实现USB HOST比USB SLAVE要困难地多，Philips公司的ISP1161A1芯片很好地解决了这种问题，他封装了复杂的USB协议，使得在嵌入式系统中实现USB HOST和USB SLAVE变得简单方便。 

2 USB HOST技术简介 

USB的通信可以用图1表示，图1中，左半部分为USB主机端，可以看出，USB主机端由2部分构成，即软件体和硬件体，实际上是3个软件组件组成了USB HOST解决方案，即USB客户驱动程序，USB驱动程序和USB主机控制器驱动程序，应用程序的事务处理是由USB客户驱动程序（设备驱动程序）启动的，客户驱动程序把USB设备当做一个可以被访问的端点集合，他可以被控制并与他的功能单元进行通信，USB系统软件包括USB驱动程序和USB主控制器驱动程序，USB驱动程序负责配置管理、用户管理、总线管理和数据传输，USB主控制器驱动程序负责调度管理，队列管理和控制器管理，以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等。 



如图2所示，USB HOST的软件结构分为3大部分，即USB总线驱动（USBD），USB HOST控制器驱动（HCD）、客户软件、其中客户软件处理和设备有关的信息，USBD处理和硬件无关的协议，而HCD则处理与硬件相关的协议，USBD和HCD都包含了一系列管理各种状态的寄存器。 



3 SP1161体系结构 

要实现USB协议，必须要通过一系列寄存器来完成，这些寄存器要能实现USB软件结构中的USBD和HCD，即要完成USB协议状态的控制，还要有一定的缓冲区来存放进出的数据，ISP1161专门针对USB协议设计的特殊硬件结构可方便地实现USB HOST和USB SLAVE。ISP1161的硬件结构主要是3类不同的寄存器，用户通过操作这3种寄存器来达到实现USB传输的目的，这3类寄存器是： 

（1）HC control and status registers：USB主控制器控制和状态寄存器，主要用于传输过程中控制命令的存放和状态的读取，可读可写的寄存器有2个地址，只读或只写的寄存器只有1个地址。 

（2）Isochronous Transfer List （ITL）：同步传输列表缓冲区。 

（3）Acknowledged Transfer List（ATL）：接收传输列表缓冲区。 

根据USB协议，数据传输分为4种模式，Control（控制），Bulk（整批），Interrupt（中断）和Isochronous（同步）。其中ITL是为了实现同步传输，ATL则实现其他3种模式的传输。 

4 ISP1161x主控制器编程实现 

设计ISP1161x主控制驱动程序主要涉及以下2个重要内容，下面详细介绍： 

4.1 读/写ATL和ITL缓冲区 

ATL和ITL缓冲区的位于ISP1161x内部的FIFO缓冲RAM之中，每个缓冲区包含许多PTD（Philips Transfer Descriptor），而PTD用于主控制器硬件发送或接收USB包从USB设备，作为调度USB传输的一部分，HCD在系统内存中购建PTD。然后HCD将购建好的PTD移入ATL或者ITL缓冲区，主控制器硬件允许软件去访问每一个缓冲区，就像他们是分离的硬件缓冲区，HCD访问ATL缓冲区通过硬件寄存器HcTransferCounter（22H/A2H）和HcATLBufferPort（41H/C1H），而ITL缓冲区则由HcTransferCounter和HcITLBufferPort（40H/C0H）访问。下面一段示例代码取自于本项目，其功能是向ATL缓冲区写数据，hci→hp→atl_len表示，ATL则在内存中还没有发送的数据的长度，hci→hp→tl表示缓冲区的地址。 [page]



4.2 硬件初始化过程 

当ISP1161x上电时，主控驱动程序（HCD）必须经过下列的顺序对硬件进行初始化，以便主控制器进入可操作状态。 

检测主控制器，软件复位主控制器，配置HcHardwareConfiguration寄存器，配置中断；配置HcControl寄存器，配置HcFmInterval寄存器，配置根集线寄存器，设置ITL和ATL缓冲区长度，安装INT1中断服务程序。 


4.2.1 检测主控制器 

检测的工作由HCD完成的，HCD通过向寄存器HcScratch写一个值，接着从该寄存器读出，与刚才写入的值进行比较。如果写入的和读出的值相等，HCD得出结论：主控制器存在，对HcCHipID寄存器的读也被用来作为额外的条件来检测该寄存器。 

4.2.2 主控制器的软件复位 

软件复位主控制器通常包括2个步骤：复位主控制器；设置主控制器为RESET状态。 

HCD通过设置在HcCommandStatus寄存器的HCR位来复位主控制器： 



一旦主控制器复位了，HCD必须通过设置HcControl寄存器的HCFS字段为00B，以便使主控制器为RESET状态。 

4.2.3 配置HcHardwareConfiguration寄存器 

WRITE_REG16（hci，InterruptPinEnable|InterruptPin Trigger InterruptOutputPolarity |DataBusWidth16|AnalogOCEnable，HcHardwareConfiguration）； 

上述这段代码表示将主控制器初始化为INT1允许，中断是边沿触发，中断的输出极性为高电平，数据线的宽度为16b，使用片上过流检测，模拟输入。 

4.2.4 配置中断 

主控制器ISP1161x有2组中断源，第一组包含USB事件产生的中断，比如Startof Frame，调度溢出和根集线器状态改变，这些中断的发生由HcInterruptEnable和HcInterruptDisable寄存器联合控制，而每个中断的状态由HcInterruptStatus寄存器标识。 

第二组是主控制器中状态变化所引起的中断，比如，主控制器延迟所产生的中断，同样，在第一组中断中的任何组合是第二组中断的中断源。 

4.2.5 配置HcFmInterval寄存器 

HcFmInterval寄存器的14位值[FrameInteral，FI]用于表示一帧之内所占用的比特时间（在2个连续的SOFs，15位的值[FSLargestDataPacket，PSMPS）用于表示在没有引发调度溢出下可发送或接收全速最大包大小，FI，PSMPS的推荐值为0x2EDF和0x2778，所以将调用下列语句对该寄存器进行初始化：

WRITE_REG32（hci，0x2EDF|（0x2778＜＜16），HcFmInterval）； 

4.2.6 配置Root Hub（根集线器）寄存器 

随着初始化的深入，下面的专门针对根集线器3个寄存器也必须初始化：HcRhDescriptorA，HcRhDescriptorB 和 HcRhStatus，前2个寄存器是根据电路板的制作自动由ISP1161x配置的，这2个寄存器均用来描述根集线器的特性。 

HcRhStatus被划分为2个部分，低字部分表示集线器状态，而高字部分表示集线器状态的改变，还有保留部分必须被初始化为逻辑0。 

4.2.7 设置ITL和ATL缓冲区的长度 

主控制器ISP1161x内部的FIFO缓冲区有4kb/s，而这4k将被ATL和ITL划分为2部分，分由HcATLBufferLength和HcITLBufferLength寄存器表示，ITL缓冲区又进一步被分为2个相同的ITO0和ITD01缓冲区，ATL缓冲区必须存在，因为ATL缓冲区用于控制，中断和大批量传输，而ITL的存在与否是可选的。 

4.2.8 设置INT1中断的服务程序 

如果在主控制器中发生一个或多个中断，ISP1161x的INT1引脚将会通知微处理器，在本项目中，INT1的引脚直接接在ARM的INT0引脚上，驱动程序通过Linux提供的函数request_irq向操作系统申请中断号，并在此函数中向操作系统提供中断处理函数。 

request_irq（irq，hc_interrupt，0，"ISP116x"，hci）  

irq为中断号；hc_interrupt为中断处理函数，0为中断标记，"ISP116x"表示中断设备名称；hci在此表示中断设备号。 

5 在μClinux中编译USB主控驱动 

接下来就如何将驱动文件编译到嵌入式操作系统做一个简要说明。 

（1）将上述文件拷贝到drivers/USB/ 

（2）编辑Drivers/USB/Makefile文件，添加以下内容： 

obj-$（CONFIG_USB_ISP1161）+=hc_isp1161.o 

（3）编辑driver/USB/config.in文件，添加如下内容：

Dep_tristat iisp1161（Philips）support iCONFIG_USB_ISP1161 $ CONFIG_USB 

（4）编译μClinux内核 

编译成功后把生成的映象文件用JTAG烧写器烧写到开发板的ROM中，启动后进行验证实现了对ISP1161A1的控制。 

6 结语 

ISP1161A1使得在嵌入式系统中实现USB HOST变得十分简单方便，便于嵌入式系统中USB的普及。 

一个USB HOST要完成的功能因为需求不同，所使用的协议也不尽相同，有的采用中断传输，有的采用同步传输，USB主机技术在嵌入式系统的应用主要是针对某一种USB设备或集中设备，因而嵌入式系统上可以只固化某几种协议，该技术的应用可以使得在嵌入式系统上轻松接入USB外设、扩展系统的功能、提高仪器的使用灵活性。USB主机技术在嵌入式系统上的应用会有更广泛更美好的前景。